青海沙蜥消化道組織結構及嗜銀細胞研究

趙洋洋, 祁 玥, 王曉寧, 趙 偉

蘭州大學生命科學學院, 蘭州 730000

青海沙蜥(Phrynocephalusvlangalii)隸屬于爬行綱(Reptilia),蜥蜴目(Lacertiformes),鬣蜥科(Agamidae),沙蜥屬(Phrynocephalus),廣泛分布在青藏高原2700—4500 m的荒漠和半荒漠干旱地區[1],是研究爬行動物對高海拔適應的理想物種之一。近年來,為探究爬行動物高海拔適應機制,國內學者對青海沙蜥的生理特征、生活史特征、腸道微生物、轉錄組等方面進行了深入的研究[2- 7]。

高海拔地區的低溫低氧對高原土著動物,造成了巨大的選擇壓力[8]。低溫低氧限制動物的能量收入,從而影響能量輸出,如隨著海拔梯度的升高,青海沙蜥雌性的繁殖輸出下降[2- 3];標準代謝速率下降[4]。然而有研究表明,青海沙蜥高海拔種群雖然新生幼仔更小,但生長速率更快,從而在更短的時間內達到性成熟[5],說明沙蜥可能通過其他的適應性進化增強自身的能量吸收或利用。

動物消化系統是攝取、消化和吸收能量的主要場所,其功能受組織結構和腸道微生物的共同影響。為適應高海拔低溫低氧的影響,青海沙蜥消化系統隨海拔升高而變化,如胃的相對質量增大[9];腸道微生物組成發生改變[6]。然而,高海拔能量限制是否會導致沙蜥消化道組織結構上的適應性變化仍未可知。為進一步理解青海沙蜥對高海拔的適應,本文通過解剖和組織切片對其消化系統的組織結構和嗜銀細胞進行了研究,以期為揭示爬行類的高原適應機制提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗材料取自保存在蘭州大學生命科學學院的青海沙蜥成體標本20只(雌雄各10只)。標本保存在8%的福爾馬林溶液中,系2010年采集自青海省海西州(37°09′ N,97°35′ E,2980 m)。

1.2 方法

解剖取其消化道,并區分食管、賁門、胃體、幽門、十二指腸、空腸、回腸、直腸各部分。首先用游標卡尺測量各部位的長度,精確到0.01 mm,然后分別取各部分組織約5 mm進行切片。將固定好的組織進行酒精梯度脫水,透明,浸蠟,包埋與修蠟,并用KD- 2020A切片機切成6 μm厚的條帶。貼片后進行梯度脫蠟與復水。每個部位的裝片分成兩組,其中一組進行H.E染色,另一組采用Grimelius銀染色法[10]進行染色。脫水透明后用樹膠封片以備鏡檢。

用CX 40顯微鏡對裝片進行觀察,每張裝片隨機選取3個視野(目鏡10×,物鏡40×),并用OD630K成像系統拍照,使用MvImage vt軟件對照片進行分析,測量消化道各部位厚度,精確到0.01 μm,并記錄每個部位的嗜銀細胞數量。

1.3 數據分析

由于消化道長度與吻肛長(Snout-vent length,SVL)顯著正相關(r=0.289,P<0.001),故將消化道各段長度對SVL進行線性回歸,保留未標準化的殘差作為SVL校正后的長度用于后續分析。采用two-way ANOVA分析消化道各段長度(SVL校正后)、管壁厚度和噬銀細胞數量的差異,其中長度、厚度或噬銀細胞數量作為因變量,性別和部位作為因子,并用Tukey′s b進行多重比較分析。本文所有數據分析均使用SPSS 22完成,數值均以mean±SE形式表示, 顯著水平設置為a=0.05。

2 實驗結果

2.1 消化管形態學

青海沙蜥的消化道管壁可以分為4層結構,由管腔內向外可依次分為黏膜層、黏膜下層、肌層和漿膜層。

食管 細長的管狀結構,位于消化道的前端,前接咽部后接賁門部,分界并不明顯。長(10.60±0.26) mm,管壁厚(71.90±4.71) μm。食管內腔分布有許多凸起的黏膜皺襞,分支10—15個;黏膜上皮為排列整齊的單層柱狀上皮。黏膜肌層較薄。黏膜下層明顯且較厚,由疏松結締組織構成,內分布有血管和淋巴管。肌層分為兩層：內側的環肌和外側的縱肌,以內環肌為主,內外肌均為平滑肌。漿膜較薄且明顯。在食管中可見分布有大量的橢圓形的杯狀細胞(圖1)。

胃 最為膨大的部分,呈U型,從上端到下端依次分為賁門、胃體、幽門,各部分無明顯的分界線,全長(18.78±0.44) mm;賁門部位于胃的最上端,黏膜凸起形成皺襞,排列規則且分枝較少,管壁厚(309.06±26.44) μm;胃體部最為粗大,腔內有大量縱行連續、排列整齊的黏膜皺襞,管壁厚(303.16±15.77) μm。幽門部的皺襞同樣排列規則整齊,并且有一個粗大的皺襞,管壁厚(442.74±24.73) μm。胃中具有發達的賁門腺、胃底腺和幽門腺,并有黏膜上皮下陷形成的胃小凹。黏膜肌層薄且明顯。黏膜下層較厚,分布有血管和淋巴組織。肌層由內環外縱的兩層平滑肌構成,肌層平均厚度為(107.05±3.64) μm(圖1)。

小腸 消化道內最為細長的部分,由前至后依次分為十二指腸、空腸和回腸,全長(42.94±1.14)mm。十二指腸與幽門分界明顯,形狀彎曲,長(11.70±0.18) mm,管徑較粗,管壁厚(76.66±6.06) μm。空腸長(11.45±0.37) mm,管徑較十二指腸略細,管壁厚(77.65±5.58)μm?；啬c長(19.85±0.70) mm,是小腸中最細長的部分,管壁厚(71.86±6.61) μm。腸腔內的絨毛發達,無分枝,十二指腸絨毛較為細長,多呈彎曲的指狀,約11—13個;空腸內的絨毛較為粗大,多呈直立狀或彎曲狀,約17—20個;回腸部絨毛呈直立或彎曲狀,約15—17個。小腸中還具有發達的腸腺和中央乳糜管,黏膜肌層薄且明顯;黏膜下層分布有血管、淋巴管等;肌層同樣由內環肌和外縱肌兩層平滑肌構成,漿膜較薄(圖1)。

直腸 管徑明顯增粗,與小腸的分界明顯。長(21.71±0.37) mm,管壁厚(212.74±12.64) μm。黏膜上皮中分布有大量的杯狀細胞,比小腸部增多;黏膜皺襞不發達,變的低矮粗大。黏膜下層較厚,有血管分布直腸的肌層明顯變厚,以環形肌為主;漿膜膜為上皮細胞(圖1)。

圖1 青海沙蜥消化道各部分顯微結構Fig.1 Microstructure of various parts of digestive tract of P. vlangaliiGc：杯狀細胞 Goblet cell;Mm：黏膜肌層 Muscularis mucosa;Cm：環肌 Circular muscle;Lm：縱肌 Longitudinal muscle;Cg：賁門腺 Cardiac gland;Fg：胃底腺 Fundic gland;Bv：血管 Blood vessel;Pg：幽門腺 Pyloric gland;Ig：腸腺 Intestinal gland;Cl：中央乳糜管 Central lacteal;Iv：小腸絨毛 Intestinal villi;Tm：肌層 Tunica muscularis

統計發現,性別對消化道各段長度沒有顯著性影響 (F1,227=1.495,P=0.223),各段的長度差異顯著 (F5,227=141.328,P<0.001) (圖2),性別與部位之間交互作用并不顯著 (F5,227=0.384,P=0.859) 。同樣,性別對消化道各段管壁厚度沒有顯著性影響 (F1,144=1.139,P=0.288),各段的厚度差異顯著 (F7,144=91.285,P<0.001) (圖2),性別與部位之間交互作用并不顯著 (F7,144=1.501,P=0.171)。

圖2 青海沙蜥消化道各段長度和管壁厚度的對比Fig.2 Comparison of the length and wall thickness of digestive tract of P. vlangalii

2.2 消化道嗜銀細胞的分布、形態和密度

嗜銀細胞在青海沙蜥的消化道中廣泛分布,其中胃體部分布密度最大,賁門部次之,回腸部最少(表1)。整體而言,從食管開始下行至直腸,青海沙蜥嗜銀細胞的分布密度曲線形狀類似于倒“V”形。

統計表明,性別對消化道各段的嗜銀細胞密度沒有顯著性影響 (F1,144=0.017,P=0.896),各部位嗜銀細胞密度差異顯著 (F7,144=71.863,P<0.001) (表1),性別與部位之間交互作用并不顯著 (F7,144=0.474,P=0.852)。

表1 青海沙蜥消化道各部位嗜銀細胞的密度

青海沙蜥消化道嗜銀細胞的形狀多樣,食管胃體幽門十二指腸直腸部位的嗜銀細胞主要呈錐體形或梭形,賁門空腸回腸的嗜銀細胞則主要呈橢圓形。嗜銀細胞主要分布于上皮細胞基部或上皮細胞之間(圖3)。

圖3 青海沙蜥消化道各段嗜銀細胞的形狀與分布Fig.3 The shape and distribution of argyrophil cell in each part of digestive tract of P. vlangalii圖中箭頭所指即為嗜銀細胞

3 結論與討論

3.1 消化系統組織結構

消化系統是動物攝食、消化和吸收的主要場所,決定了動物對食物消化和吸收的速率[11- 12]。小腸是營養物質吸收的主要部位,與低海拔蜥蜴[13- 14]相比,青海沙蜥小腸(十二指腸、空腸和回腸)的占比更高,有利于增強對營養物質的吸收。其中,鈣等物質主要在十二指腸內被吸收;糖類、蛋白質和脂肪的消化產物及維生素、水和無機鹽主要在十二指腸和空腸被吸收;回腸可主動吸收膽鹽和維生素B12。研究表明,高海拔蜥蜴脂肪代謝率增加,而膽鹽和維生素B12對脂肪的消化吸收具有重要意義。此外,鈣離子有助于心肌收縮,促進血液循環并增加氧氣供應[15- 18]。這說明青海沙蜥腸道結構的變化有助于對高海拔低溫低氧的適應。

消化道形態結構的變化對動物自身能量平衡和食物變異的適應具有重要作用[19]。與麗斑麻蜥(Eremiasargus)[20]或蠟皮蜥(Leiolepisreevesii)[21]的復層鱗狀上皮不同,青海沙蜥的食管上皮為單層柱狀上皮。區別于麗斑麻蜥的骨骼肌肌層[20],青海沙蜥食管肌層為平滑肌,且食管內具有發達的黏膜皺襞和可分泌粘液的杯狀細胞,有利于潤滑食物和保護黏膜[22]。青海沙蜥胃內具有連續的發達皺襞和肌層,尤其是內環肌特別厚,可以擴大胃的容積,并增強胃的蠕動能力。與蠟皮蜥[21]、凹耳臭蛙(Odorranatormota)[23]、山溪鯢(Batrachuperuspinchonii)[24]的小腸不同,青海沙蜥具有空腸且中央乳糜管特別發達,可能與增強消化吸收能力有關。青海沙蜥直腸內有少量粗大皺襞,杯狀細胞增多,可以有效潤滑食物殘渣和糞便,并且較厚的肌層增強了直腸的蠕動,有利于殘渣和糞便的排出。

3.2 嗜銀細胞

嗜銀細胞在脊椎動物(圓口綱除外)消化道內廣泛分布[25],且在消化道內的分布特點存在種間差異[26]。與絕大多數兩棲爬行動物研究相同[27- 29],青海沙蜥的嗜銀細胞廣泛分布在消化道各部分。在秦嶺滑蜥(Scincellatsinlingensis)[14]、麗斑麻蜥[30]中,嗜銀細胞在胃體部分布最高。黑龍江草蜥(Takydromusamurensis)[31]、白條草蜥(Takydromuswolteri)[32]中,嗜銀細胞在幽門部分布最高。多疣壁虎(Gekkojaponicus)[33]的嗜銀細胞在十二指腸分布密度最高。變色樹蜥(Calotesversicolor)[34]在空腸分布最高。青海沙蜥的的嗜銀細胞在胃體部分布密度最高,其次是賁門部,這種分布情況與麗斑麻蜥[30]類似。

嗜銀細胞是一種內分泌細胞,主要分泌5-羥色胺(5-hydroxy tryptamine, 5-HT),在調節消化功能中起著重要作用[35]。麗斑麻蜥的消化道內具有圓形和橢圓形的嗜銀細胞,分泌的激素不進入管道,直接進入血液,具有內分泌的功能[30]。有學者認為內分泌細胞可能以外分泌方式將5-HT排到腸腔,但形態學依據不足[36]。本研究發現青海沙蜥消化道內有錐體形的嗜銀細胞,其尖端朝向消化道腸腔或者朝向腺體,這種形狀和分布特點可能揭示了嗜銀細胞的外分泌功能。還有些學者認為,嗜銀細胞具有內、外分泌功能[37- 38]。青海沙蜥的消化道內觀察到形狀類似于長梭形的嗜銀細胞,其兩端分別指向消化腔和固有層,表明這種內分泌細胞可能具有內分泌和外分泌兩種功能。

3.3 結論

綜上,青海沙蜥小腸占消化道總長的比例增加延長了食物在消化道內的停留時間,增強了對鈣、脂類和維生素等營養物質的吸收能力;腸道內中央乳糜管發達,加強了吸收營養物質的能力;嗜銀細胞在消化道內廣泛分布,以胃部最多,其分泌物可有效的增強消化能力。本文表明,青海沙蜥消化道特有的組織結構特點為青海沙蜥適應高海拔環境提供了有力的保障。